Kvantebrønde muliggør rekordeffektiv solcelle med to kryds

Forskere fra U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) og University of New South Wales opnåede en ny verdensrekordeffektivitet for to-junction solceller, skabe en celle med to lysabsorberende lag, der omdanner 32,9% af sollys til elektricitet.

Nøglen til cellens design er en serie af mere end 150 ultratynde lag af alternerende halvledere, der skaber kvantebrønde i cellens bundabsorber, giver den mulighed for at opfange energi fra et nøgleområde af solspektret. Mens den nye rekord kun forbedres beskedent i forhold til den tidligere effektivitetsrekord på 32,8 %, det er den første rekordeffektive multijunction-solcelle, der bruger en belastningsbalanceret struktur - et design, der lover yderligere forbedringer.

Den nye celle er beskrevet i en artikel i Advanced Energy Materials med titlen "High Efficiency Inverted GaAs and GaInP/GaAs Solar Cells With Strain-Balanced GaInAs/GaAsP Quantum Wells." Cellerne har et gallium indium phosphid (GaInP) lag for deres øverste forbindelse og en bundforbindelse af gallium arsenid (GaAs) stribet med 80 stablede lag af kvantebrønde. En kvantebrønd skabes, når et tyndt lag af halvledermateriale er klemt mellem to lag materiale med et bredere båndgab, begrænser ladningsbærere til det centrale lag.

Quantum Wells tilbyder muligheder

Inkluderingen af ​​så mange kvantebrønde i bundkrydset sænker dette krydss effektive båndgab, øger bølgelængden af ​​lys, det kan absorbere. Opfangning af længere bølgelængder gør det muligt for tandemcellen at fange mere energi fra solspektret, gør cellen mere effektiv til at omdanne lys til elektricitet.

Traditionelt, kvantebrønde er primært blevet brugt i lasere, LED'er, og elektronik til telekommunikation. Som en del af udviklingsprocessen, NREL-teamet producerede en enkeltforbindelsescelle, der viste en meget høj ekstern strålingseffektivitet (> 40 %) - den effektivitet, hvormed cellen omdanner elektricitet til lys, når den køres baglæns. Mens holdet ikke forsøgte at bygge en LED-enhed, deres kvantebrønde af høj kvalitet viste et vist potentiale på dette område, også.

Strain Balancing låser op for ny rekord

Tidligere arbejde har forsøgt at bruge kvantebrønde til at justere båndgabet af solcelleforbindelser, men det har ikke produceret nogen rekordeffektive celler, dels fordi det er svært at dyrke mange, mange lag af højkvalitets kvantebrøndmateriale. Hvis lagene bliver for tykke, eller den mekaniske belastning i krystalgitteret ikke er korrekt afbalanceret, cellen udvikler defekter.

For deres verdensrekordcelle, holdet skiftede lag af gallium indium arsenid - i kompression - og gallium arsenid phosphid - under spænding. Ved omhyggeligt at kontrollere tykkelsen af ​​disse lag, belastningen af ​​tryk- og trækkræfterne balancerer mellem lagene. En række lasere blev brugt til at måle waferens krumning under hele vækstprocessen, giver forskerne mulighed for at opdage og justere for belastning i krystalgitteret.

"Dette arbejde vil føre til højere effektivitet solceller til en-sol applikationer, som kunne være en væsentlig drivkraft for den udbredte anvendelse af disse celler, sagde Myles Steiner, en seniorforsker på NREL-holdet. "Nu, en vigtig udfordring forude er at lære at fremstille disse celler på en omkostningskonkurrencedygtig måde."

Globe-spændende samarbejde giver resultater

Udviklingen af ​​dette celledesign voksede ud af et tæt samarbejde mellem en del af forskningsgruppen High-Efficiency Crystalline Photovoltaics ved NREL og et team ved University of New South Wales (UNSW). Faktisk, Steiner tilbragte 3 måneder i begyndelsen af ​​2020 i New South Wales med sine australske samarbejdspartnere, arbejder på projektet som en del af et tilskud fra Fulbright Scholars Program.

"Vores partnerskab samlede NRELs mangeårige ekspertise i epitaksial vækst og UNSW's arbejde med solcellemodellering, som hjalp os til at samarbejde effektivt på afstand, " sagde Nicholas Ekins-Daukes, der ledede UNSW-holdet. "Jeg var imponeret over, hvor hurtigt vi var i stand til at udvikle den første komposit, belastningsbalanceret halvledermateriale til at overgå en konventionel solcelle."